JP2926777B2 - Shape measuring device - Google Patents

Shape measuring device

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JP2926777B2 JP23093789A JP23093789A JP2926777B2 JP 2926777 B2 JP2926777 B2 JP 2926777B2 JP 23093789 A JP23093789 A JP 23093789A JP 23093789 A JP23093789 A JP 23093789A JP 2926777 B2 JP2926777 B2 JP 2926777B2
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一雄 有門
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は形状計測装置に関し、被測定物に反射された
レーザ光の干渉縞を観察してカメラの焦点を合わせなが
ら、被測定物の表面形状を正確に計測するようにしたも
のである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a shape measuring apparatus, and observes interference fringes of a laser beam reflected on an object to be measured and focuses the image on the surface of the object while focusing the camera. The shape is measured accurately.

(従来の技術) 第4図は従来の形状計測装置を示すものであって、10
1はレーザ装置、102はプリズム、103はカメラ、104はPS
Dのような形状計測素子である。
(Prior Art) FIG. 4 shows a conventional shape measuring apparatus.
1 is a laser device, 102 is a prism, 103 is a camera, 104 is PS
It is a shape measuring element like D.

このものは、被測定物105に反射されたレーザ光を、
カメラ103の焦点からの変位として形状計測素子104によ
り検出することにより、被測定物105の表面形状を計測
するようになっている。
The laser beam reflected by the object 105 is
The surface shape of the measured object 105 is measured by detecting the displacement from the focal point of the camera 103 by the shape measuring element 104.

(発明が解決しようとする課題) ところで、レーザ装置101から照射されたレーザ光の
光束を絞ることには限界があるが(一般にはΦ=100ミ
クロン程度まで絞るのが限界)、被測定物105の表面が
フラットの場合、形状計測素子104に入射するレーザ光
の分布は、第5図実線Mのようにガウス分布になり、光
束によって生じる電圧VA,VBから、被測定物105の表面位
置を算出する。
(Problems to be Solved by the Invention) By the way, there is a limit in reducing the luminous flux of the laser light emitted from the laser device 101 (generally, the limit is to reduce the diameter to about Φ = 100 microns). Is flat, the distribution of the laser beam incident on the shape measuring element 104 becomes a Gaussian distribution as shown by a solid line M in FIG. 5, and the surface position of the object 105 to be measured is determined from the voltages VA and VB generated by the light flux. calculate.

ところが、例えば被測定物105の表面に微小な凹凸e
があって、レーザ光の光束の一部がこの凹凸eに強く鏡
面反射されて、その反射光Kが形状計測素子104に入射
すると、入射光の分布は破線Nで示す偏位分布となり、
測定誤差を生じることとなる。
However, for example, fine irregularities e
When a part of the light beam of the laser beam is strongly specularly reflected on the unevenness e and the reflected light K enters the shape measuring element 104, the distribution of the incident light becomes a deviation distribution indicated by a broken line N,
A measurement error will occur.

そこで本発明は、微小な凹凸のある被測定物の形状を
正確に測定することができる計測手段を提供することを
目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a measuring means capable of accurately measuring the shape of an object having minute unevenness.

(課題を解決するための手段) 本発明は、レーザ装置と、このレーザ装置から照射さ
れたレーザ光を被測定物へ向って反射させる光学素子
と、被測定物の斜上方にあって被測定物の表面に斜上方
へ反射されたレーザ光を上記光学素子を透過させずに直
接入射させて検出することにより、被測定物の形状を計
測する形状計測素子と、被測定物に反射されたレーザ光
を観察するカメラとを一体的に組み付けた光学ユニット
と、このカメラの被測定物までの距離調整装置と、上記
カメラから送られた干渉縞の画像データに基いて上記距
離調整装置を作動させる制御装置とを備え、上記光学素
子が、上記カメラにより干渉縞を観察すべく、上記被測
定物に照射されるレーザ光に光路長差を付与する光学素
子であって、表裏両面に反射面を有する透明板から成
り、この透明板を斜設し、この透明板へ向って上記レー
ザ装置がレーザ光を側方から照射するとともに、この透
明板を上方へ透過したレーザ光を上記カメラで観察する
ようにしたことを特徴とする形状計測装置である。
(Means for Solving the Problems) The present invention provides a laser device, an optical element that reflects laser light emitted from the laser device toward an object to be measured, and a device to be measured that is obliquely above the object to be measured. The laser light reflected obliquely upward to the surface of the object is directly incident on the optical element without being transmitted through the optical element, and is detected, thereby detecting the shape of the object to be measured and the laser light reflected by the object to be measured. An optical unit integrally assembled with a camera for observing laser light, a distance adjusting device for the camera to an object to be measured, and the distance adjusting device operated based on image data of interference fringes sent from the camera. A control device for causing the optical element to provide an optical path length difference to the laser light irradiated on the object to be observed by the camera for observing interference fringes. Transparent plate with And the laser device irradiates the laser light from the side toward the transparent plate, and the laser light transmitted upward through the transparent plate is observed by the camera. A shape measuring apparatus characterized in that:

(作用) 上記構成において、正常(フラット)な表面にレーザ
光を照射した場合に、カメラにより観察される干渉縞
を、マスター干渉縞として予め制御装置に記憶させてお
く。そして被測定物にレーザ光を照射して、その干渉縞
をカメラにより観察しながら、形状計測素子により被測
定物の表面形状を計測するが、その干渉縞がマスター干
渉縞と一致しないときは、一致するように距離調整装置
を作動させて、カメラの焦点を調整する。
(Operation) In the above configuration, when a normal (flat) surface is irradiated with laser light, interference fringes observed by a camera are stored in advance in the control device as master interference fringes. Then, the object to be measured is irradiated with laser light, and while observing the interference fringes with the camera, the surface shape of the object to be measured is measured by the shape measuring element. When the interference fringes do not match the master interference fringe, The focus of the camera is adjusted by activating the distance adjustment device to coincide.

(実施例) 次に、図面を参照しながら本発明の実施例を説明す
る。
Example Next, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は形状計測装置の斜視図であって、Aは光学ユ
ニットであり、CCDカメラのような輝度のコントラスト
を観察できるカメラ1と、その下部に一体的に組み付け
られた鏡筒2とを備えている。鏡筒2の側部には、レー
ザ光を照射する半導体レーザ装置3が収納されており、
カメラ1及びレーザ装置3と光学的に同軸的な位置に、
光学素子4が設けられている。第2図において、この光
学素子4は、ガラス板のような透明板4aの表裏両面に、
反射板4b,4cをコーティングして形成されている。この
透明板4aの厚さは、例えば0.5mm程度である。この反射
面4b,4cは、光の一部を反射させ、また一部を透過する
ハーフミラーである。第2図に示すように、光学素子4
は45゜の角度で斜設されており、レーザ装置3はレーザ
光を側方から光学素子4に照射する。また光学素子4を
上方へ透過したレーザ光は上方のカメラ1に入射する。
FIG. 1 is a perspective view of a shape measuring apparatus, in which A is an optical unit, and includes a camera 1 such as a CCD camera capable of observing a contrast of luminance, and a lens barrel 2 integrally assembled below the camera. Have. A semiconductor laser device 3 for irradiating a laser beam is housed in a side portion of the lens barrel 2.
At a position optically coaxial with the camera 1 and the laser device 3,
An optical element 4 is provided. In FIG. 2, this optical element 4 is provided on both front and back sides of a transparent plate 4a such as a glass plate.
It is formed by coating the reflection plates 4b and 4c. The thickness of the transparent plate 4a is, for example, about 0.5 mm. The reflecting surfaces 4b and 4c are half mirrors that reflect a part of the light and transmit a part of the light. As shown in FIG.
Is inclined at an angle of 45 °, and the laser device 3 irradiates the optical element 4 with laser light from the side. The laser light transmitted through the optical element 4 upward enters the camera 1 above.

5はブラケット6により鏡筒2に一体的に組み付けら
れたケースであって、その内部にはPSDのような形状計
測素子7が収納されている。8,9は集光素子である。
Reference numeral 5 denotes a case integrally assembled to the lens barrel 2 by a bracket 6, in which a shape measuring element 7 such as a PSD is housed. Reference numerals 8 and 9 denote light-collecting elements.

第1図において、Bは上記光学ユニットAを昇降させ
て、カメラ1の焦点、すなわち被測定物までの距離を調
整する距離調整装置であって、垂直テーブル11と、垂直
テーブル11の前面に昇降自在に装置されたスライダ12
と、モータMZを有している。上記カメラ1はスライダ12
に固着されており、モータMZが駆動すると、光学ユニッ
トAは昇降し、カメラ1の位置を調整する。
In FIG. 1, reference numeral B denotes a distance adjusting device which raises and lowers the optical unit A to adjust the focal point of the camera 1, that is, the distance to the object to be measured. Slider 12 freely mounted
And a motor MZ. The camera 1 has a slider 12
When the motor MZ is driven, the optical unit A moves up and down to adjust the position of the camera 1.

Cは上記光学ユニットAの下方に設けられたXYテーブ
ルであって、Xテーブル15、Yテーブル16、及びそれぞ
れの駆動用モータMX,MYから構成されており、その上面
にセットされた被測定物PをXY方向に移動させる。Dは
コンピュータのような制御装置であって、上記カメラ
1、形状計測素子7、各モータMX,MY,MZ等は、この制御
装置Dに接続されている。
C is an XY table provided below the optical unit A, which is composed of an X table 15, a Y table 16, and respective drive motors MX and MY, and a DUT set on the upper surface thereof. Move P in the XY direction. D is a control device such as a computer, and the camera 1, the shape measuring element 7, the motors MX, MY, MZ, etc. are connected to the control device D.

レーザ装置3から照射されたレーザ光は、光学素子4
の2つの反射面4b,4cに反射されて被測定物pの表面に
入射し、この表面に乱反射されたレーザ光の一部は形状
計測素子7に入射し、またその一部は上方へ反射されて
光学素子4を透過し、カメラ1に観察される。この場
合、第2図に示すように、レーザ光の一部は被測定物P
の表面に斜上方へ反射され、光学素子4を透過せずに形
状記憶素子7に直接入射して検出される。ここで、光学
素子4は2つの反射面4b,4cを有しているので、両反射
面4b,4cに反射される光には、光学素子4の厚さに基く
光路長差Lが生じ、この位相差のために、カメラ1に
は、第3図に示すような干渉縞が観察されるが、後述す
るように本手段は、カメラ1から送られる干渉縞の画像
データに基いて、カメラ1の焦点を合わせるべく、上記
距離調整装置Bを作動させて、光学ユニットAを昇降さ
せるようになっている。
The laser light emitted from the laser device 3 is
Are reflected by the two reflecting surfaces 4b and 4c and are incident on the surface of the object to be measured p. A part of the laser light irregularly reflected on this surface is incident on the shape measuring element 7, and a part thereof is reflected upward. Then, the light passes through the optical element 4 and is observed by the camera 1. In this case, as shown in FIG.
The light is reflected obliquely upward on the surface of the optical element 4, and is directly incident on the shape memory element 7 without being transmitted through the optical element 4, and is detected. Here, since the optical element 4 has two reflecting surfaces 4b and 4c, the light reflected by the two reflecting surfaces 4b and 4c has an optical path length difference L based on the thickness of the optical element 4, and Due to this phase difference, an interference fringe as shown in FIG. 3 is observed in the camera 1, but as will be described later, this unit uses a camera based on the image data of the interference fringe sent from the camera 1. In order to adjust the focus, the distance adjusting device B is operated to move the optical unit A up and down.

本装置は上記のような構成より成り、次に計測方法を
説明する。
This apparatus has the above configuration, and the measuring method will be described next.

被測定物Pの形状を計測するに先立ち、正常(フラッ
ト)な表面にレーザ光を照射した場合に、カメラ1に観
察された干渉縞をマスター干渉縞として制御装置Dに記
憶させておく。この干渉縞は、輝度の高低のデータとし
て制御装置Dに記憶される。
Prior to measuring the shape of the object P, when a normal (flat) surface is irradiated with laser light, the interference fringes observed by the camera 1 are stored in the control device D as master interference fringes. This interference fringe is stored in the control device D as luminance level data.

次いで、XYテーブルCにセットされた被測定物Pにレ
ーザ光を照射し、被測定物Pに反射されたレーザ光の干
渉縞をカメラ1により観察しながら、被測定物Pに乱反
射されたレーザ光を形状計測素子7により検出して、そ
の表面形状をカメラ1の焦点からの変位として測定す
る。この干渉縞が、上記マスター干渉縞と一致している
ときは、カメラ1の焦点は正常であり、形状計測素子7
の出力に基いて、被測定物Pの表面形状が制御装置Dに
より演算される。
Next, the object P set on the XY table C is irradiated with laser light, and while the interference fringes of the laser light reflected on the object P are observed by the camera 1, the laser light irregularly reflected on the object P is observed. Light is detected by the shape measuring element 7 and its surface shape is measured as a displacement from the focal point of the camera 1. When this interference fringe coincides with the master interference fringe, the focus of the camera 1 is normal and the shape measuring element 7
Is calculated by the control device D based on the output of.

被測定物Pの表面に、凹凸が存在すると、カメラ1の
焦点が狂い、計測誤差を生じるが、この場合、焦点位置
が変わったことから、カメラ1により観察される干渉縞
は、マスター干渉縞と差異を生じるので、この干渉縞が
マスター干渉縞と一致するように、モータMZを駆動して
光学ユニットAを昇降させることにより、カメラ1の焦
点を合わせたうえで、形状計測素子7の出力を読取る。
If irregularities are present on the surface of the object P, the focus of the camera 1 will be out of order and a measurement error will occur. In this case, since the focus position has changed, the interference fringes observed by the camera 1 will be the master interference fringes. By driving the motor MZ to move up and down the optical unit A so that the interference fringe coincides with the master interference fringe, the camera 1 is focused and the output of the shape measuring element 7 is adjusted. Is read.

このように本手段は、干渉縞を観察してカメラ1の焦
点を合わせながら、形状計測素子7の出力を読取るよう
にしているので、被測定物Pの形状をきわめて精密に測
定することができる。
As described above, the present means reads the output of the shape measuring element 7 while observing the interference fringes and adjusting the focus of the camera 1, so that the shape of the object P can be measured very precisely. .

(発明の効果) 以上説明したように本発明によれば、カメラにより干
渉縞を観察しながら、カメラの焦点を合わせて、被測定
物の形状を正確に測定することができる。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, the shape of the object to be measured can be accurately measured by focusing the camera while observing the interference fringes with the camera.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

図は本発明の実施例を示すものであって、第1図は形状
計測装置の斜視図、第2図は断面図、第3図は干渉縞の
平面図、第4図は従来の形状計測装置の側面図、第5図
は形状計測素子の側面図である。 A……光学ユニット B……距離調整装置 D……制御装置 P……被測定物 1……カメラ 3……レーザ装置 4……光学素子 7……形状計測素子
1 shows an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a perspective view of a shape measuring device, FIG. 2 is a sectional view, FIG. 3 is a plan view of interference fringes, and FIG. FIG. 5 is a side view of the apparatus, and FIG. 5 is a side view of the shape measuring element. A: Optical unit B: Distance adjusting device D: Control device P: Object to be measured 1: Camera 3: Laser device 4: Optical element 7: Shape measuring element

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】レーザ装置と、このレーザ装置から照射さ
れたレーザ光を被測定物へ向って反射させる光学素子
と、被測定物の斜上方にあって被測定物の表面に斜上方
へ反射されたレーザ光を上記光学素子を透過させずに直
接入射させて検出することにより、被測定物の形状を計
測する形状計測素子と、被測定物に反射されたレーザ光
を観察するカメラとを一体的に組み付けた光学ユニット
と、このカメラの被測定物までの距離調整装置と、上記
カメラから送られた干渉縞の画像データに基いて上記距
離調整装置を作動させる制御装置とを備え、 上記光学素子が、上記カメラにより干渉縞を観察すべ
く、上記被測定物に照射されるレーザ光に光路長差を付
与する光学素子であって、表裏両面に反射面を有する透
明板から成り、この透明板を斜設し、この透明板へ向っ
て上記レーザ装置がレーザ光を側方から照射するととも
に、この透明板を上方へ透過したレーザ光を上記カメラ
で観察するようにしたことを特徴とする形状計測装置。
1. A laser device, an optical element for reflecting laser light emitted from the laser device toward an object to be measured, and an oblique upper portion of the object to be measured and obliquely reflected on a surface of the object to be measured. A shape measuring element for measuring the shape of the object to be measured by directly entering the laser light without being transmitted through the optical element and detecting the laser light, and a camera for observing the laser light reflected on the object to be measured. An optical unit integrally assembled, a distance adjusting device for the camera to the object to be measured, and a control device for operating the distance adjusting device based on image data of interference fringes sent from the camera, The optical element is an optical element for providing an optical path length difference to the laser light irradiated on the object to be measured for observing interference fringes by the camera, and is formed of a transparent plate having reflection surfaces on both front and back surfaces. Oblique transparent plate A shape measuring apparatus characterized in that the laser device emits laser light from the side toward the transparent plate, and the laser light transmitted upward through the transparent plate is observed by the camera.
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